Podstawy Elektroniki

Wykład - Model Pasmowy Ciała Stałego

1

BUDOWA KRYSTALICZNA

Definicja ciała stałego.

Ciało stałe

to ciało którego cząstki (atomy, jony lub cząsteczki) tworzą układ

przestrzenny dostatecznie trwały w danych warunkach. Ruch cząstek ciała stałego
jest ograniczony do drgań wokół ich położenia równowagi.

Podział ciał stałych.

Ciała stałe dzielimy ze względu na:

a) budowę przestrzenną:

monokryształy - uporządkowane cząsteczki w postaci

regularnej sieci;

polikryształy - wiele zrośniętych monokryształów różnej

wielkości;

ciała bezpostaciowe - cząstki rozmieszczone są dowolnie

(proszek);

Podstawy Elektroniki

Wykład - Model Pasmowy Ciała Stałego

2

b) przewodzenie prądu elektrycznego (wartość rezystywności):

dielektryki - mika, bursztyn - nie przewodzą prądu

elektrycznego;

półprzewodniki - krzem, german, arsenek galu - w

normalnych warunkach nie przewodzą prądu elektrycznego.
Wartość rezystywności półprzewodników zależy od:

znikomo małych ilości zanieczyszczeń materiału (im

więcej zanieczyszczeń tym lepiej przewodzą prąd
elektryczny);

promieniowanie zewnętrzne;

wzrost temperatury;

przewodniki - wszystkie metale;

Podstawy Elektroniki

Wykład - Model Pasmowy Ciała Stałego

3

Budowa atomu krzemu

W sieci krystalicznej krzemu występuje wiązanie atomowe (kowalencyjne). Atomy
w sieci krystalicznej są rozmieszczone w takich odległościach, że ich powłoki
walencyjne zachodzą wzajemnie na siebie. Para elektronów walencyjnych
sąsiadujących ze sobą dwu atomów staje się wspólna dla obu tych atomów, atom
wewnętrzny uzyskuje trawałą najbardziej korzystną energetycznie strukturę
ośmioelektronową. Do wyrwania elektronu walencyjnego z takiego równania
konieczne jest dostarczenie odpowiedniej ilości energii. Dla krzemu jest ona równa
1.1 eV.

Podstawy Elektroniki

Wykład - Model Pasmowy Ciała Stałego

4

Elektron wyrwany z wiązania kowalencyjnego staje się nośnikiem swobodnym
ładunku. Może się on poruszać w całą objętość kryształu, pod wpływem
zewnętrznego pola elektrycznego, oderwanie elektronu z wiązania powoduje
powstanie luki, czyli częściową jonizację dwu atomów, taką dodatnio naładowaną
lukę w wiązaniu nazywa się dziurą.

MODEL PASMOWY

W odosobnionym atomie elektrony mogą znajdować się w ściśle określonych
stanach energetycznych.

1. Pasmo dozwolone - jest to pasmo w którym elektrony znajdujące się na orbicie
mogą przyjmować każdą wartość energii mieszczącej się wewnątrz pasma.

2. Pasmo zabronione - jest to pasmo leżące pomiędzy pasmami dozwolonymi.
W tym paśmie istnieją takie wartości energii, których nie może przyjmować
żaden elektron.

3. Pasmo walencyjne lub podstawowe - w tym paśmie w temperaturze zera
bezwzględnego T=0K najwyższą energię mają elektrony walencyjne.

4. Pasmo przewodnictwa - znajdują się w nim elektrony wyrwane z sieci
krystalicznej.

Podstawy Elektroniki

Wykład - Model Pasmowy Ciała Stałego

5

Model energetyczny pasmowy półprzewodnika

Usytuowanie pasm energetycznych w przewodniku

Podstawy Elektroniki

Wykład - Model Pasmowy Ciała Stałego

6

Usytuowanie pasm energetycznych w izolatorze

Usytuowanie pasm energetycznych w półprzewodniku

Podstawy Elektroniki

Wykład - Model Pasmowy Ciała Stałego

7

PÓŁPRZEWODNIKI NIESAMOISTNE

a) półprzewodnik typu n (negativus)

W półprzewodniku typu n domieszką są atomy pięciowartościowe. Cztery elektrony
walencyjne atomu domieszki tworzą wiązanie kowalencyjne z sąsiednimi atomami
w sieci. Piąty elektron jest słabo związany z jądrem swego atomu i może być łatwo
oderwany dzięki drganiom termicznym sieci. Zachowuje się tak jak elektron
swobodny. Domieszki, które dostarczają dodatkowych elektronów przewodnictwa
to domieszki donorowe. Atomy domieszki to donory.

Podstawy Elektroniki

Wykład - Model Pasmowy Ciała Stałego

8

Model sieci krystalicznej krzemu z domieszką atomów np.:fosforu

Model pasmowy półprzewodnika krzemowego z domieszkami

donorowymi

Poziom donorowy występuje w paśmie zabronionym Wg. Jest to poziom dyskretny
(nie pasmo). Dla elektronów domieszki energia jonizacji jest znacznie mniejsza niż
energia jonizacji dla atomów sieci krystalicznej. Wobec małej odległości w skali
energii poziomu donorowego od dolnej granicy pasma przewodnictwa wystarczy
mała porcja energii aby przenieść elektron domieszki do pasma przewodnictwa. Po
przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego elektrony uczestniczą w
przewodnictwie elektronowym półprzewodnika.

Podstawy Elektroniki

Wykład - Model Pasmowy Ciała Stałego

9

b) półprzewodnik typu p (positivus)

Brak jednego elektronu walencyjnego to dziura. Elektrony z sąsiednich wiązań
wykazują tendencje do zapełniania luki. Atom domieszki, który przyjmuje elektron
to akceptor.

Model sieci krystalicznej krzemu z domieszką atomów np.: indu

Podstawy Elektroniki

Wykład - Model Pasmowy Ciała Stałego

10

Model pasmowy półprzewodnika krzemowego z domieszkami

akceptorowymi

W temperaturze zera bezwzględnego poziom ten jest całkowicie pusty. Mała porcja
energii powoduje, że elektron sieci krystalicznej z pasma walencyjnego
półprzewodnika przechodzi na dozwolony, dyskretny akceptorowy poziom atomu
domieszki. W temperaturze pokojowej, każdy z atomów domieszki akceptorowej
dołącza jeden elektron z pasma walencyjnego. W paśmie walencyjnym powstaje
odpowiednia liczba dziur. Właściwości półprzewodnika domieszkowego zależą od
rodzaju i liczby atomów domieszek wprowadzonego do kryształu półprzewodnika
np. wprowadzenie jednego atomu boru na 10

5

atomów krzemu powoduje 1000

krotny wzrost przewodności krzemu.

Podstawy Elektroniki

Wykład - Model Pasmowy Ciała Stałego

11

PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE.

W temperaturze zera bezwzględnego półprzewodniki samoistne nie przewodzą
elektronów. Szerokość pasma zabronionego w temperaturze pokojowej wynosi dla:

diamentu =6.0 eV

germanu =0.68-0.72 eV

krzemu =1.1 eV

W przewodnictwie półprzewodnika samoistnego biorą udział
swobodne elektrony oraz identyczna ilość dziur. Elektrony
poruszają się ruchem swobodnym przemieszczając bez przeszkód
długie drogi swobodnie w sieci krystalicznej. W przewodnictwie
dziurowym udział biorą elektrony z sąsiedniego wiązania
wypełniając dziurę. Ruch dziur odbywa się w kierunku
przeciwnym do ruchu elektronów.

Podstawy Elektroniki

Wykład - Model Pasmowy Ciała Stałego

12

ETAPY OCZYSZCZANIA KRZEMU

1. Występowanie krzemu.

Krzem występuje w ilości około 28% w skorupie ziemskiej w
postaci utlenionej jako składnik piasku i skał (krzemionka).
Czysty krzem jest drogi ze względu na koszt złożonego procesu
oczyszczania.

2. Etapy oczyszczania krzemu.

a) oczyszczanie chemiczne - jest to reakcja redukcji z węglem w
wysokiej temperaturze. Po tym procesie otrzymuje się materiał
zawierający 99.9% krzemu.

b) oczyszczanie strefowe - pręt przesuwa się powoli w piecu w
atmosferze gazu obojętnego (helu lub argonu).

Podstawy Elektroniki

Wykład - Model Pasmowy Ciała Stałego

13

Wskutek lokalnego ogrzewania indukcyjnego na krótkim odcinku
pręta jest uzyskiwana temperatura wyższa od punktu topnienia
krzemu, powstaje lokalna strefa roztopionego materiału, która
nie wycieka. Dzięki działaniu napięcia powierzchniowego ruch
pręta lub ruch zwojnicy powoduje przesuwanie się roztopionej
strefy. Unosi ona ze sobą zanieczyszczenia gdyż mają większą
rozpuszczalność w fazie ciekłej nie stałej. Po kilku przejściach
strefy ciekłej wzdłuż pręta zanieczyszczenia zostają zebrane w
jednym końcu pręta.

3. Otrzymywanie monokrystalicznego krzemu.

Metoda Czocharskiego - wyciągania z fazy ciekłej.

W tyglu grafitowym lub kwarcowym umieszcza się czysty krzem
(german).

Podstawy Elektroniki

Wykład - Model Pasmowy Ciała Stałego

14